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Jean-Louis Dufresne
Pôle de modélisationInstitut Pierre Simon Laplace (IPSL)
Laboratoire de Météorologie Dynamique(LMD)
Calcul intensif et climat
Penser Pétaflops, 13 mai 2008
1. Modélisation du climat: utilisation systématique des machines les plus performantes
2. Les nouveaux enjeux
3. Les spécificités en terme de besoins ou de pratiques
Plan
Calcul intensif et climat
Échelles spatiales et temporelles
EMIC
LES
CRM Convection profonde
Nuages bas
GCM Dépression, circulation générale
Formation des gouttes des nuages et des précipitations
10 000km
1 000 km
100 km
10 km
1km
100 m
10 m
1 m
100 mm
10 mm
1 mm
(m)Échellespatiale GCM Dépression, circulation
générale
Évolution depuis 30 ans Puissance de calcul: ≈ x106
Modélisation du climat en a tiré partie par une multiplication ≈ x100 autour des 3 axes
résolution spatiale
contenu et complexité des modèles
longueurs et nombres de simulations
Évolution depuis 30 ans
Développement des composantes puis couplages des modèles.
Évolution depuis 30 ans Puissance de calcul: ≈ x106
Pour en tirer profit, la modélisation du climat a participé à quelques évolutions majeures:
scalaire vectoriel
scalaire //
vectoriel //
scalaire //
vectoriel //
?
Exemple d'utilisation des ressources:
GIEC AR4: en 2004, 40 000 h SX55 processeurs pendant 1 an (10%
machine)
Les nouveaux enjeux
Changements climatiques
Passer de l'alerte des risques à: Mieux décrire ces changements pour s'y préparer ou pour les éviter
Simuler les événements extrêmes Mieux décrire les interactions avec le milieu naturel et les activités humaines
Suivre et prévoir les changements aux échelles de la décennie
PaléoclimatsSimuler les entrées et sorties des glaciations, les variations abruptes
Les nouveaux enjeuxÉvolution future
Puissance de calcul: ≈ x106
Quelle évolution résolution/complexité/durée ?
résolution spatiale
contenu et complexité des modèles
longueurs et nombres de simulations
Échelles spatiales et temporelles
GCM Dépression, circulation générale
10 000km
1 000 km
100 km
10 km
1km
100 m
10 m
1 m
100 mm
10 mm
1 mm
(m)Échellespatiale
10
Jung et al. 2006
0.7˚
1.1˚
1.9˚
Observed
≈100 km
≈200 km
≈70 km
Mieux résoudre la circulation atmosphérique
ERA
T255
T159
T95
Sumi et al. 2008
11
LMDZ 0,5° (≈50km) Earth simulator: SX6
32 noeuds , 256 procs Simulation de 3 mois en 30 h
Simulation de 100 ans≈ 1/3 de la SX8 de l'IDRIS pendant 1 an
Mieux résoudre la circulation atmosphérique
Études climatiques SX8 IDRIS x 102
1° 1/3° 1/9° 1/27° 1/54°
SSS
Vorticity W
1/54° 1/54°
M. Lévy, 2006
Mieux résoudre la circulation océanique
OPA à différentes résolutions:
13
Variabilité du niveau de la mer (en mètres) au cours de l’année 2001. En haut simulée à l’aide de NEMO, configuration ORCA12, en bas déduite des observations de satellites altimétriques (Topex-Poseidon, ERS-2 et Geosat FO). © Mercator-Océan.
Mieux résoudre la circulation océanique
Études climatiques SX8 IDRIS x 102 ∽ 103 ?
GCM
LES
CRMglobaux
Convection profonde
Nuages bas
Formation des gouttes des nuages et des précipitations
Cyclones tropicaux
Mieux résoudre la convection atmosphérique
10 000km
1 000 km
100 km
10 km
1km
100 m
10 m
1 m
100 mm
10 mm
1 mm
(m)Échellespatiale
Mieux résoudre la convection atmosphérique
CRM globaux3.5 km cell size, ~107 columns54 layers, top at 40 km15-second time stepSimulation de quelques mois
NICAM, 2008http://www.nicam.jp/
Études climatiques
CPU x 102 ∽ 104
GCM
LESglobaux
Convection profonde
Nuages bas
Formation des gouttes des nuages et des précipitations
Cyclones tropicaux
Mieux résoudre la physique des nuages
CPU x 109 ∽ 1012
d'ici là, travail sur les paramétrisations...
10 000km
1 000 km
100 km
10 km
1km
100 m
10 m
1 m
100 mm
10 mm
1 mm
(m)Échellespatiale
17
• Fluide compressible, equations non-hydrostatiques
• Conservations de la masse et de l'énergie
• Possibilités de raffinement de maillage
• Possibilités de modèles à aire limitée
• Schemas de transport, positif, conservatif...
• Grille uniforme et isotrope
• Efficace numériquement
• Adapté au parallelisme massif
Nouveaux noyaux dynamiques
Circulation Atmosphèrique
Circulation OcéaniqueGlace de mer
Biogéochimie etbiologie marine
Carbone
DMS
Nutritifs
Chimie
Gaz
&
A érosols
CO2
Surface continentale
sols et v égétation
LMD Z
Orchid é e LMD ZT
ORCALIM
INCA
STOMATE PISCES
Biogéochimiecontinentale
Carbone
CH 4 , COV,
Aérosols
Aérosols Sels marins
Continents Atmosph ère Oc éan
Physique
Carbone
Chimie
Considérer le système completLe modèle système terre
Contraintes de plus en plus grandes sur la qualité des modèles
Ex: pôle modélisation de l'IPSL:
Bio-géochimie marine:nécessite une bonne représentation des tourbillons océaniques
Considérer le système completPlus d'exigence pour chacun des modèles
Biosphère continentale:nécessite une bonne simulation des variables atmosphériques (pluies, neige, températures...)
Cycle du carbone: évolution futur du CO2, évolution des puits de carbone...
20
Considérer le système completPlus d'exigence pour chacun des modèles
Antarctic:
Océan sous le ices-shelfEffet d'arc boutantLien calotte-gace de mer...
Groenland:
Atmosphère: relief, circulation, flux de chaleur et d'eau...Océan: circulation, plongée eaux profondes, glace de mer......
Calottes: changements du niveau des mers et de la circulation océanique
21
Santé Santé Vague de chaleurMaladies...
AgricultureAgricultureStress hydriqueIrrigation
EauEauChangement de la quantité et du cycle saisonnier.
ForêtForêtChangement des espècesProductivité, captage du CO2
EcosystèmesEcosystèmesDéplacement ou perte de zones écologiquesCoraux...
Changement Climatique:
Régions cotièresRégions cotières Érosion des côtes Innondations
Niveau des mers
Temperature
Précipitation
Évaluer les impacts des variations du climat
Évènements extrêmes
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Améliorer la pertinence : contenu, résolution Asseoir la crédibilité, la fiabilité Événements extrêmes Impacts régionaux
Élargir le nombre de phénomènes considérés (complexité)
Autres rétroactions possibles (amplificatrices ou non)
Explorer des effets de seuils, d'irréversibilité..
Faire des ensembles des simulations: Explorer un espace de paramètres Prévisibilité,
Faire de simulations très longues: Entrée-sortie de glaciation Variation abrupte du climat
Les nouveaux enjeuxÉvolution future
23
Spatial Resolution (x*y*z)
Ensemble size
Timescale (Years*timestep)
TodayTerascale5
50
500
Climate Model
70
10 2010Petascale
1.4°
160km
0.2°
22kmAMR
1000
400
1Km
Regular 10000
Earth System Model
100yr*
20min1000yr*
3min
1000yr * ?
Code Rewrite
Cost Multiplier
Data Assimilation
New Science Better Science
dimensions of Climate Predictiondimensions of Climate Prediction
?
10
1010
10
10 10
10
2015ExascaleLawrence Buja (NCAR) / Tim Palmer
(ECMWF) Exposé NCAR, DEISA, avril 08
résolution spatiale
contenu et complexité des modèles
longueurs et nombres de simulations
Calcul:⇨Le compromis résolution/complexité/durée dépendra des applications
⇨Quelques exercices exceptionnels,beaucoups de “grosse production”
⇨Sciences du climat: très pluridisciplinaire Un modèle de climat = assemblage de plusieurs modèles (actuellement 3 à 10)
⇨Mettre au point un modèle de climat: Mettre au point 3 à 6 modèles Mettre au point leurs couplages
⇨ On ne change pas d'environnement aussi simplement 3 à 6 modèles couplés qu'un modèle seul
Spécificités climat
Les données:⇨Le nombre et le volume des données continueront de croître avec la puissance de calcul.
⇨La question des E/S est un point bloquant, de façon récurrente
Écriture pendant la simulation Stockage Pre et post-traitement Transfert des données
⇨Augmentation des échanges des données entre les centres climatiques
Organisation:Exercices coordonnés à intervalle régulier (i.e. GIEC)⇨ Être prêt au bon moment!!
Spécificités climat
Spécificités climat
Au niveau international, proposition de la création de:
1) A Climate Prediction Project coordinated by WCRP, in collaboration with WWRP and the IGBP and involving the national weather and climate centers
2) As a part of the Climate Prediction Project, and in addition to enhancing the capacity of the world’s existing national climate research centers, a World Climate Research Facility (WCRF) for climate prediction should be established
3) The central component of the WCRF will be one or more dedicated high-end computing facilities
!! Provisoire !!!! Provisoire !!
Merci